OPTOELEKTRONIKA - Surface Plasmon Resonance (SPR)

1. Pengertian Surface Plasmon Resonance (SPR)

• Surface plasmon resonance (SPR) merupakan fenomena resonansi antara gelombang cahaya dan elektron-elektron pada permukaan logam yang menghasilkan osilasi elektron-elektron di permukaan logam yang terkuantisasi.

• Permukaan Plasmon Resonance (SPR) adalah proses deteksi optik yang terjadi ketika cahaya terpolarisasi hits prisma ditutupi oleh tipis (emas) lapisan logam. Dalam kondisi tetentu (panjang gelombang, polarisasi dan sudut dating) electron bebas pada permukaan biochip menyerap insiden foton cahaya dan mengubahnya menjadi gelombang plasmon permukaan.

• Surface Plasmon Resonance (SPR) adalah osilasi kolektif elektron dalam padat atau cair dirangsang oleh insiden cahaya. Kondisi resonansi dibuat bila frekuensi cahaya foton sesuai dengan frekuensi alami dari permukaan elektron yang berosilasi terhadap gaya pemulih inti positif. SPR dalam struktur berukuran nanometer disebut lokal permukaan plasmon resonansi.

• SPR adalah dasar dari banyak alat-alat standar untuk mengukur adsorpsi bahan ke logam planar (biasanya emas dan perak) atau permukaan ke permukaan logam nanopartikel . Ini adalah prinsip dasar di balik banyak warna berbasis biosensor aplikasi dan berbeda lab-on-a-chip sensor.

Permukaan polaritas plamon permukaan adalah gelombang elektromagnetik yang merambat dalam arah sejajar dengan logam/dielektrik (atau logam/ vakum) interface. Karena gelombang adalah pada batas logam dan media eksternal (udara atau air misalnya), osilasi ini sangat sensitif terhadap perubahan batas ini, seperti adsorpsi molekul pada permukaan logam.
Untuk menggambarkan keberadaan dan sifat polaritons plasmon permukaan, seseorang dapat memilih dari berbagai model (teori kuantum, Model Drude , dll).


2. Prinsip Kerja Surface Plasmon Resonance (SPR)

SPR dapat terjadi pada bidang batas logam/dielektrik ketika sebuah berkas sinar datang dari medium dielektrik dengan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis. Dalam kondisi seperti itu, di bidang batas persambungan dielektrik/logam akan terbentuk gelombang evanesen yang menembus masuk ke dalam medium logam. Jika kondisi resonansi terpenuhi, akan terjadi resonansi antara gelombang evanesen dan elektron-elektron bebas di permukaan logam yang menghasilkan medan listrik lokal dan penetrasi gelombang evanesen yang jauh lebih besar.


Pengambilan data dilakukan melalui dua tahap. Tahap pertama menggunakan laser merah (laser He-Ne) dengan memvariasi ketebalan lapisan tipis perak hasil deposisi pada prisma, sedangkan tahap kedua menggunakan laser merah (laser He-Ne) dan laser hijau (laser zat padat) untuk ketebalan lapisan yang sama.

Proses pegambilan data dilakukan dengan menggunakan set-up SPR pada gambar diatas. Sinar laser dilewatkan melalui dua buah polarisator yang salah satu sudutnya dibuat 45°. Lensa positif untuk memfokuskan sinar yang keluar. Selanjutnya sinar akan melewati beam splitter yang berfungsi membagi sinar menjadi dua bagian dengan intensitas sama yang akan ditangkap oleh laser beam receiver pertama (detector 1) dan laser beam receiver kedua (detector 2). Detector 1 terletak sebelum sinar mengenai prisma, sedangkan detector 2 letaknya setelah sinar mengenai prisma. Alat yang digunakan untuk menampilkan nilai tegangan yang terbaca adalah mikrokontroler. Dalam alat ini juga telah diatur agar nlai reflektansi dapat langsung diketahui, yaitu nilai tegangan D2 dibagi D1. Saat sinar mengenai prisma, divariasi sudut datangnya dengan memutar meja dudukan prisma. Sebelumnya ditentukan terlebih dahulu sudut kritisnya sebagai parameter utama dalam memulai penambilan data pada sudut tertentu. Nilai output yang diperoleh adalah sudut datang versus reflektansi.
Bila menggunakan cahaya untuk merangsang gelombang SPR, ada dua konfigurasi yang terkenal.
a. Dalam Konfigurasi Otto

Pada konfigurasi Otto, lapisan dielektrik berada di antara prisma dan lapisan metal. Cahaya datang dari prisma dan kemudian masuk ke dalam medium dielektrik sehingga menghasilkan gelombang evanesen di bidang batas lapisan dielektrik/ logam. Gelombang SPR terbentuk pada bidang batas tersebut jika kondisi resonansi di atas terpenuhi, seperti ditunjukkan dalam Gambar.
b. Dalam Konfigurasi Kretschmann

Pada konfigurasi Kretschmann, lapisan logam berada kontak langsung dengan prisma sedangkan lapisan dielektriknya menutupi lapisan logam tersebut. Dengan konfigurasi ini, gelombang SPR terbentuk pada bidang batas metal/ lapisan dielektrik di sisi sebelah luar dari lapisan metalnya, seperti dalam Gambar. Konfigurasi Kretschmann ini sering dipakai untuk keperluan pendeteksian dimana lapisan sampel yang ingin diukur dapat langsung ditaruh di atas lapisan emas. Dalam hal ini, lapisan sampel tersebut ini dianggap sebagai lapisan dielektriknya.

Aplikasi SPR

Plasmon permukaan telah digunakan untuk meningkatkan sensitivitas permukaan beberapa pengukuran spektroskopi termasuk fluoresensi, hamburan Raman, dan generasi harmonik kedua. Namun, dalam bentuk yang paling sederhana, SPR pengukuran reflektifitas dapat digunakan untuk mendeteksi adsorpsi molekul, seperti polimer, DNA atau protein, dll Secara teknis, itu adalah umum, bahwa sudut minimum refleksi (maksimum penyerapan) diukur. Ini perubahan sudut di urutan 0,1° selama adsorpsi Film tipis (sekitar ketebalan nm). Dalam kasus lain perubahan dalam panjang gelombang penyerapan diikuti. Mekanisme deteksi didasarkan pada bahwa molekul menyerap menyebabkan perubahan dalam indeks bias lokal, mengubah kondisi resonansi dari plasmon permukaan gelombang.
Jika permukaan berpola dengan biopolimer yang berbeda, menggunakan optik yang memadai dan sensor pencitraan (yaitu kamera), teknik ini dapat diperpanjang ke permukaan plasmon resonance imaging (SPRI). Metode ini memberikan kontras yang tinggi dari gambar berdasarkan jumlah molekul teradsorpsi, agak mirip dengan sudut Brewster mikroskopi (yang terakhir ini paling sering digunakan bersama-sama dengan palung Langmuir-Blodgett ). Untuk nanopartikel, lokal osilasi plasmon permukaan dapat menimbulkan warna intens suspensi atau sols mengandung nanopartikel. Nanopartikel atau kawat nano logam mulia menunjukkan kuat pita penyerapan dalam ultraviolet – tampak rezim cahaya yang tidak hadir dalam logam massal. Peningkatan ini penyerapan yang luar biasa telah dimanfaatkan untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam sel fotovoltaik dengan mendepositokan nanopartikel logam pada permukaan sel. [6] Energi (warna) penyerapan ini berbeda ketika cahaya terpolarisasi sepanjang atau tegak lurus terhadap nanowire. Pergeseran dalam resonansi ini karena perubahan indeks bias lokal terhadap adsorpsi ke nanopartikel juga dapat digunakan untuk mendeteksi biopolimer seperti DNA atau protein. Terkait teknik pelengkap termasuk plasmon Waveguide resonansi, QCM , transmisi optik yang luar biasa , dan ganda polarisasi interferometri.